Способ получения тонкодисперсных многокомпонентных порошков на основе нитрида алюминия и соединений редкоземельных элементов

 

Изобретение относится к способу получения тонкодисперсных многокомпонентных порошков на основе нитрида алюминия и соединений редкоземельных элементов и позволяет повысить теплопроводность керамики , изготовленной из целевых продуктов за счет повышения их фазовой и химической чистоты. В поток низкотемпературной азотной плазмы со среднемассовой температурой 5400 - 5800 К подают смесь порошков металлического алюминия и оксида иттрия, а также бескислородные соединения элементов или их смесь, сродство которых к кислороду выше, чем у алюминия, при этом молярное соотношение кислорода и этих элементов выбирают равным 0,3 - 1,2:1. В качестве бескислородных соединений используют газообразные углеводороды в смеси с аммиаком при их массовом соотношении 0,05 - 0,1:1 или соль кальция, выбранную из группы: хлорид, фторид, карбид или цианамид. Далее в зону потока вводят аммиак, двухфазный поток охлаждают в теплообменнике, а тонкодисперсный порошок целевого продукта улавливают на поверхности рукавного фильтра. Полученный порошок представляет собой однородную смесь нитрида алюминия, оксида и нитрида иттрия с содержанием свободного кислорода 1,1 - 1,8 мас.%. Теплопроводность изготовленной из него керамики составила 125 170Вт/мК. 2зп ф-лы 3 табл сл с

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕ СКИХ

РЕСПУБЛИК (я)5 С 01 В 21/06

Г ОСУДЛРСТ В Е Н11Ы И КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ K АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4710267/26 (22) 26.06.89 (46) 07.09,91. Бюл. N. 33 (71) Специальное конструкторско-технологическое бюро неорганических материалов

Института неорганической химии АН

ЛатвССР, Институт неорганической химии

АН ЛатвССР и Институт сверхтвердых материалов АН УССР (72) Я.П.Грабис, И.П.Убеле, M.À.Êóçåíêîâà, T.Н.Миллер, Л.П.Стафецкий, У,А.Циелен и И,П,Фесенко (53) 661.862.41 (088.8) (56) Ав горское свидетельство СССР

М 11221155229911, кл. С 01 В 21/06. 1983. (54) СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ТОНКОДИСПЕРСНЫХ МНОГОКОМПОНЕНТНЫХ llOP0LUKOB НА ОСНОВЕ НИТРИДА

АЛЮМИНИЯ И СОЕДИНЕНИЙ РЕДКОЗЕMEJlb HblX ЭЛЕМЕНТОВ (57) Изобретение относится к способу получения тонкодисперсных многокомпонентных порошков на основе нитрида алюминия и соединений редкоземельных элементов и позволяет повысить теплопроеодность керамики, изготовленной иэ целевых продукИзобретение относится к способам получения тонкодисперсных многокомпонентных порошков на основе нитрида алюминия и соединений редкоземельных элементов, которые мо1ут быть использованы для изготовления керамики с высокой теплопроводностью.

Цель изобретения состоит в повышении теплопроводности изготовленнои из целе„, 50 „„ 1675201 А1 тов за счет повышения их фазовой и химической чистоты, В поток низкотемпературной азотной плазмы со среднемассовой температурой 5400 - 5800 К подают смесь порошков металлического алюминия и оксида иттрия, а также бескислородные соединения элементов или их смесь, сродство которых к кислороду выше, чем у алюминия, при этом молярное соотношение кислорода и этих элементов выбирают равным 0,3—

1,2:1, В качестве бескислородных соединений используют газообразные углеводороды в смеси с аммиаком при их массовом соотношении 0,05 — 0,1;1 или соль кальция, выбранную из группы: хлорид, фторид, карбид или цианамид. Далее в зону потока вводят аммиак, двухфазный поток охлаждают в теплообменнике, а тонкодисперсный порошок целевого продукта улавливают íà поверхности рукавного фильтра, Полученный порошок представляет собой однородную смесь нитрида алюминия, оксида и нитрида иттрия с содержанием свободного кислорода 1,1 — 1,8 мас.%. Теплопроводность изготовленной иэ него керамики составила

125 - 170 Вт/м К. 2 э,п. ф-лы, 3 табл. вого продукта керамики за счет повышения его фазовой и химической чистоты.

Пример 1. В поток низкотемпературной азотной плазмы высокочастотного разряда подают порошки алюминия и оксида иттрия, расход которых составляет 0,9 кг/ч.

Массовое содержание оксида иттрия в порошке 3.2 мас.%. Одновременно в зону потока, имеющего среднемассовую

1675201 температуру 5400 К, дополнительно подают смесь пропана и аммиака, соотношение массовых расходов которых 0,06, а молярное соотношение кислорода в порошке и углерода 0,3, В зону потока, имеющего температуру 2800 К, подают аммиак. Двухфазный поток охлаждают в теплообменнике, а тонкодисперсный порошок целевого продукта улавливают на поверхности рукавного фильтра. Полученный тонкодисперсный порошок с удельной поверхностью 32 м /г

2 представляет собой однородную смесь нитрида аммония, оксида и нитрида иттрия.

Состав полученного порошка, мас. .

AIN 96,1; УгОз 1,2; YN 0,9; О 1.7; С 0,2.

Теплопроводность изготовленных из него образцов 160 Вт/м К, Пример 2. В поток низкотемпературной азотной плазмы высокочастотного разряда подают порошки алюминия и оксида иттрия, расход которых составляет 1,2 кг/ч.

Массовое содержание оксида иттрия в порошке 2,6 мас. . Одновременно в зону потока, имеющего среднемассовую температуру 5800 К, дополнительно подают порошок фторида кальция, при этом молярное соотношение кислорода и кальция 1,2. В зону потока, имеющего температуру 3200 К, подают аммиак. Двухфазный поток охлаждают в теплообменнике, а тонкодисперсный порошок целевого продукта улавливают на поверхности рукавного фильтра. Полученный тонкодисперсный порошок с удельной поверхностью 30 м /г представляет собой однородную смесь нитрида алюминия, нитрида и оксида иттрия, рентгеноаморфного оксида кальция.

Состав полученного порошка, мас.;(,;

AIN 96,2; У Оз 0,5; YN 1,2; СаО 1,7; СаГг 0,2 (следы); О 1.8. Теплопроводность изготовленных иэ него образцов 155 — 170 Вт/м К.

Пример 3, В поток низкотемпературной азотной плазмы высокочастотного разряда подают порошки алюминия и оксида иттрия, расход которых составляет 1,2 кг/ч.

Чассовое содержание оксида иттрия в порошке 2,4 мас. . Одновременно в зону потока, имеющего среднемассовую температуру 5600 К, дополнительно подают смесь пропана и аммиака и хлорида кальция. Соотношение массовых расходов пропана и аммиака 0,1, а молярное соотношение кислорода и углерода и кальция 0,8. В зону потока, имеющего температуру 3000 К, подают аммиак, Двухфазный поток охлаждают в теплообменнике, а тонкодисперсный порошок целевого продукта улавливают на поверхности рукавного фильтра. Полученный тонкодисперсный порошок с удельной поверхностью 34 м /г представляет собой од5

55 нородную смесь нитрида алюминия, нитри да иттрия, цианамида кальция и оксида кальция.

Взаимодействие алюминия и оксидов редкоземельных элементов с потоком низкотемпературной азотной плазмы осуществляют в присутствии бескислородных соединений элементов, сродство которых к кислороду выше чем у алюминия, или их смеси, в результате чего в потоке до образования нитрида алюминия, оксинитрида или оксида алюминия происходит частичное восстановление оксидов редкоземельных элементов и связывание кислорода с дополнительно введенными элементами, что предотвращает образование кислородсодержащих соединений алюминия, Далее, по мере снижения температуры потока, в присутствии аммиака образуется чистый нитрид алюминия, который не содержит примеси кислородсодержащих соединений алюминия. Среднемассовая температура потока 5400 — 5800 К, при которой вводятся в поток бескислородные соединения, сродство которых к кислороду выше. чем у алюминия, установлены при изучении зависимости фазового и химических составов целевого продукта от температуры потока в зоне ввода (табл.1), Подача бескислородных соединений— газообразных углеводородов в зону потока, имеющего среднемассовую температуру выше 5800 К, приводит к появлению в продуктах взаимодействия карбида алюминия.

Если в спеченной керамике сохраняется карбид алюминия, то из-за сильного гидролиээ карбида при хранении на воздухе керамическое изделие полностью разрушается через несколько часов. Подача соединений кальция в зону потока, имеющего среднемассовую температуру выше 5800 К, нецелесообразна, так как увеличиваются потери мощности плазменного факела в узлах установки. Подача бескислородных соединений в зону потока, имеющего среднемассовую температуру ниже 5400 К, малоэффективна, так как в потоке не происходит полное связывание кислорода введенными элементами, и кислород частично образует кислородсодержащие соединения алюминия, Кроме того, при использовании газообразных углеводородов в продукте реакции появляется свободный несвязанный углерод, наличие которого снижает диэлектрические характеристики материалов из нитрида алюминия, Малярное соотношение кислорода и элементов, сродство которых к кислороду выше, чем у алюминия,установлено при изучении зави симости фазового и химического составов целе

1675201 вых продуктов от молярного соотношения кислорода и этих элементов (табл,2). Осуществление процесса при молярных соотношениях менее 0,3 нецелесообразно, так как это не приводит к дальнейшему снижению содержания кислорода, а увеличивает концентрацию восстановителей и их соединений в продукте реакции, что снижает механические и физические характеристики керамики. При молярном соотношении более 1,2 не осуществляется полная очистка алюминия и нитрида алюминия от кислорода из-за низкой концентрации восстановителя в потоке, Выбор элементов или их соединений, сродство которых к кислороду выше, чем у алюминия, основан на том, что присутствие их в нитриде алюмин1 я не должно влиять на теплопроводность керамики, они должны связывать адсорбированный на поверхности частиц нитрида алюминия кислород при спекании и способствовать спеканию порошков. Экспериментально проверено, что этим требованиям соответствует применение в качестве восстановителей газообразных углеводородов. бескислородных соединений кальция или их смеси, Применение этих элементов или их соединений не только предотвращает образование кислородных соединений алюминия в высокотемпературном потоке азота, но также приводит к образованию ряда соединений редкоземельных элементов с азотом и углеродом (нитрида иттрия, карбида иттрия, цианамида кальция), соединений углерода с азотом и водородом, наличие которых на поверхности частиц нитрида алюминия увеличивает устойчивость нитрида алюминия на воздухе и способствует его очистке от адсорбированного кислорода во время его спекания.

Подача газообразных углеводородов в смеси с аммиаком при соотношении их массовых расходов 0,04 — 0,1 способствует образованию в высокотемпературном потоке цианистых соединений, наличие которых предотвращает образование кислородных и карбидных соединений алюминия, Оптимальные соотношения массовых расходов углеводородов и аммиака определены при исследовании зависимости фазового и химического составов целевого продукта от соотношения массовых расходов (табл.3), Осуществление процесса при соотношении массовых расходов углеводородов и аммиа5

50 ка менее 0,06 не улучшает характеристик порошков, но приводит к охлаждению высокотемпературного потока из-за высокого расхода аммиака, что снижает производительность способа. Соотношения массовых расходов углеводородов и аммиака более 0,1 не предотвращает AoRHocTblo образование карбида алюминия и приводит к увеличению свободного углерода в целевых продуктах.

Таким образом, применение способа позволяет по сравнению с прототипом повысить теплопроводность керамики, изготовленной из целевых продуктов. в 2,3 — 2,5 раза (с 60 — 70 до 125 — 170 Вт/м К) эа счет снижения примеси свободного кислорода с

2,3 — 2,6 до 1,1 — 1,8 мас.g, а также за счет исключения загрязнения целевого продукта примесной фазой оксинитрида алюминия, Формула изобретения

1. Способ получения тонкодисперсных многокомпонентных порошков на основе нитрида алюминия и соединений редкоземельных элементов, включающий введение смеси порошков металлического алюминия и оксидов редкоземельных элементов в поток ниэкотемпературной азотной плазмы и конденсацию целевого продукта в присутствии аммиака, отличающийся тем, что, с целью повышения теплопроводности изготовленной из целевого продукта керамики за счет повышения его фазовой и химической чистоты, используют плазму со среднемассовой температурой 5400—

5800 К и в зону потока плазмы дополнительно вводят бескислородные соединения элементов, сродство которых к кислороду выше, чем у алюминия, или их смесь, при этом молярное соотношение кислорода к этим элементам выбирают равным 0,3—

1,2:1.

2, Способ поп.1, отл и ча ющийся тем, что в качестве бескислородных соединений элементов используют газообразные углеводороды в смеси с аммиаком при соотношении массовых расходов углеводородов и аммиака. равном 0,06 — 0,1:1.

3. Способ по п 1, отличающийся тем, что в качестве бескислородных соединений используют соединения кальция: хлориды, фториды.

16T5201

Таблица 1

Таблица 2

Таблица 3

Составитель В. Нечипоренко

Редактор О. Юрковецкая Техред М,Моргентал Корректор С. Шевкун

Заказ 2970 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", -, Ужгород, ул.Гагарина, 101